“水泥廠電力拖動(dòng)”是使人們?cè)谏钊肓私怆妱?dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、水泥生產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)、水泥生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上，綜合平衡包括供電系統(tǒng)在內(nèi)各方面的要求，使水泥生產(chǎn)機(jī)、電設(shè)備的配套和運(yùn)行合理化的學(xué)問(wèn)。但是，到目前為止，還沒(méi)看到過(guò)有關(guān)水泥廠電力拖動(dòng)的專著。水泥工業(yè)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)存在著兩大關(guān)鍵問(wèn)題:其一是掌握主要的、典型的水泥設(shè)備在起動(dòng)過(guò)程中阻轉(zhuǎn)矩變化的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)，并據(jù)以改進(jìn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)；其二是如何為生產(chǎn)設(shè)備選配額定功率恰如其分的電動(dòng)機(jī)，并使新建廠投產(chǎn)后的實(shí)際電力負(fù)荷與設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果基本相符并且具有較高的需要系數(shù)。這2個(gè)問(wèn)題都需要進(jìn)行大量的測(cè)量和歸納、分析工作才能取得初步成果。本文介紹一些與此有關(guān)的體會(huì)。此外，本文提出幾個(gè)概念性問(wèn)題以便解釋幾個(gè)看似簡(jiǎn)單的常見誤區(qū)。由于水泥廠中的電動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)都是異步電動(dòng)機(jī)，所以在本文內(nèi)容中除個(gè)別標(biāo)明者外，皆指異步電動(dòng)機(jī)。 1　電力拖動(dòng)中幾個(gè)容易被誤解的基本概念 　　電力拖動(dòng)中的基本概念在實(shí)際應(yīng)用中存在著一些誤區(qū)。例如，不少人根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的輸入電流隨負(fù)載輕重而改變大小的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為:“電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的大小也取決于負(fù)載的輕重”；曾經(jīng)有人用:“扛東西時(shí)有人幫忙抬一把，比自己直接從低處往起扛省勁兒”的體會(huì)認(rèn)為:“用輔助傳動(dòng)裝置先讓磨機(jī)慢慢地轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，可以減輕主電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)難度”。然而事實(shí)是，起動(dòng)電流的大小與負(fù)載輕重?zé)o關(guān)。先開輔助傳動(dòng)反而會(huì)增加起動(dòng)的難度。為了便于漸進(jìn)地說(shuō)明問(wèn)題，先對(duì)電力拖動(dòng)中幾個(gè)基本概念做些提示。 1.1　靜態(tài)和動(dòng)態(tài) 　　“靜態(tài)”是指電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在恒定轉(zhuǎn)速時(shí)的狀態(tài)。在這種狀態(tài)中: 　　電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=負(fù)載的靜阻轉(zhuǎn)矩 　　也就是說(shuō)，在靜態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩只取決于負(fù)載的輕重。“靜阻轉(zhuǎn)矩”系指與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性無(wú)關(guān)的負(fù)載阻力。 　　“動(dòng)態(tài)”是指電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行于加速、減速等轉(zhuǎn)速變化的狀態(tài)。在起動(dòng)過(guò)程中: 　　電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=負(fù)載的靜阻轉(zhuǎn)矩+使機(jī)組加速的加速轉(zhuǎn)矩 　　在動(dòng)態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩只取決于電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。 　　掌握設(shè)備起動(dòng)過(guò)程中靜阻轉(zhuǎn)矩變化數(shù)據(jù)是正確選擇配套電動(dòng)機(jī)的重要依據(jù)。要想測(cè)量設(shè)備在起動(dòng)過(guò)程中負(fù)載靜阻轉(zhuǎn)矩的變化，除電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩之外，還必須同時(shí)測(cè)得使機(jī)組加速時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩。 1.2　硬特性和軟特性 　　 在電力拖動(dòng)中，“硬特性”一般是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不受負(fù)載輕重變化影響的特性。比較典型的是同步電動(dòng)機(jī)。通用的鼠籠型電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子繞組被短接的繞線型電動(dòng)機(jī)、直流并勵(lì)和它勵(lì)型電動(dòng)機(jī)等在負(fù)載從空載到滿載之間變化時(shí)，其轉(zhuǎn)速變化都不大于1.5%～5.0%(大型電動(dòng)機(jī)比小型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化小)，所以也被看作是具有硬特性的電動(dòng)機(jī)。這類電動(dòng)機(jī)的輸入電流和輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的微小變化而急劇地升降。當(dāng)負(fù)載的阻力超過(guò)它的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，它就會(huì)“顛覆”，也就是轉(zhuǎn)矩下降導(dǎo)致轉(zhuǎn)速急速下降甚至停止轉(zhuǎn)動(dòng)，定子電流增大到堵轉(zhuǎn)電流。如不及時(shí)切斷電源，就會(huì)有燒毀電動(dòng)機(jī)的危險(xiǎn)。 　　 這個(gè)概念可以引申到某些生產(chǎn)設(shè)備。例如，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量基本上與它的轉(zhuǎn)速成比例，幾乎不受風(fēng)路阻力的影響，當(dāng)風(fēng)路阻力增大時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)增大風(fēng)壓以維持風(fēng)量不變。如果風(fēng)路阻力過(guò)高，而風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的功率又不夠，就可能過(guò)載。所以它是具有硬特性的恒流型風(fēng)機(jī)。為了容易起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)必須全部打開放風(fēng)閥門。離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓受風(fēng)量變化的影響較小，當(dāng)風(fēng)路阻力降低時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)增大風(fēng)量，以減輕風(fēng)壓的下降。風(fēng)路阻力過(guò)低就會(huì)因?yàn)轱L(fēng)量過(guò)大而造成風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重過(guò)載。所以可以看作是硬特性的恒壓型風(fēng)機(jī)。為了容易起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)必須全部關(guān)閉風(fēng)路中用以調(diào)節(jié)風(fēng)量的閥門，盡量增大風(fēng)路阻力。這兩種風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)與電學(xué)中由穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒壓源、由穩(wěn)流器構(gòu)成的恒流源頗為相似。 　　 “軟特性”一般是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載輕重的變化而大幅度變化的特性。也就是說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著負(fù)載的加重而明顯下降。但是，它的輸入電流和輸出轉(zhuǎn)矩則隨著轉(zhuǎn)速的降低而大致成比例的平緩上升，不易顛覆。具有高電阻鼠籠轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)(起重機(jī)專用鼠籠型電動(dòng)機(jī)、異步伺服電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)等)和轉(zhuǎn)子接有電阻的繞線型電動(dòng)機(jī)、直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)等都屬于軟特性的電動(dòng)機(jī)。專用的力矩電動(dòng)機(jī)即使長(zhǎng)期處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)也不會(huì)超過(guò)允許溫升。 　　 大部分水泥生產(chǎn)設(shè)備幾乎都選配硬特性的電動(dòng)機(jī)。軟特性的電動(dòng)機(jī)只用于起重運(yùn)輸設(shè)備和個(gè)別有特殊要求的地方。 　　 硬特性和軟特性是可能或可以互相轉(zhuǎn)化的。例如，“電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)”是由電磁耦合器同鼠籠型電動(dòng)機(jī)組合而成的，電磁耦合器是典型的軟特性電機(jī)，但是通過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)和電子自動(dòng)調(diào)節(jié)器控制它的勵(lì)磁電流就使它成為既可根據(jù)需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速又幾乎不受負(fù)載輕重變化影響的硬特性電動(dòng)機(jī)。 　　 立窯煅燒系統(tǒng)中，保持風(fēng)量的穩(wěn)定是穩(wěn)定窯內(nèi)熱工狀態(tài)的重要因素之一，因而多采用具有恒流特性的羅茨風(fēng)機(jī)作為鼓風(fēng)設(shè)備。常采取控制放風(fēng)閥門的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，所以: 風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量=通過(guò)立窯的風(fēng)量+放風(fēng)風(fēng)量 　　 在風(fēng)機(jī)選型時(shí)，為了顧及立窯最大風(fēng)量及惡劣工況，往往將風(fēng)機(jī)選的較大。如果采用放風(fēng)閥調(diào)節(jié)進(jìn)窯風(fēng)量，有的窯有時(shí)需要放風(fēng)30%～50%。這就不僅會(huì)增加電能損耗和噪聲，更重要的是會(huì)使羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量特性大幅度軟化。當(dāng)立窯因某種原因?qū)е赂G內(nèi)物料層的通風(fēng)阻力增加時(shí)，就會(huì)把風(fēng)擠向放風(fēng)閥，迫使通過(guò)放風(fēng)閥的風(fēng)量增加，從而相應(yīng)地減少了進(jìn)窯風(fēng)量。如果因?yàn)檫M(jìn)窯風(fēng)量的減少又會(huì)促使窯內(nèi)物料密結(jié)的程度增加，就會(huì)造成通風(fēng)不斷惡化的惡性循環(huán)，進(jìn)而嚴(yán)重影響立窯熱工狀態(tài)的穩(wěn)定。 　　 離心式鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓比較穩(wěn)定，但是它的風(fēng)量受風(fēng)路阻力的影響很大。從風(fēng)量的角度看，它的特性更軟。主張用“水泥立窯專用高壓離心風(fēng)機(jī)”取代羅茨風(fēng)機(jī)的觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了離心風(fēng)機(jī)噪聲和損耗小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單和投資少等優(yōu)點(diǎn)，唯獨(dú)回避了離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量特性軟的關(guān)鍵性問(wèn)題。《水泥》雜志1997年第1期有2篇文章探討立窯用離心風(fēng)機(jī)取代羅茨風(fēng)機(jī)的可行性問(wèn)題，這2篇文章都肯定了采用風(fēng)量特性硬的羅茨風(fēng)機(jī)對(duì)穩(wěn)定立窯的熱工狀態(tài)有利。其中一篇文章強(qiáng)調(diào)了離心風(fēng)機(jī)投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，認(rèn)為離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量特性軟的缺點(diǎn)可以用改變操作方法來(lái)彌補(bǔ)；另一篇文章特別提到:“風(fēng)機(jī)應(yīng)該為立窯穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)服務(wù)，而不是要求立窯生產(chǎn)適應(yīng)風(fēng)機(jī)性能”，認(rèn)為水泥立窯不宜使用離心風(fēng)機(jī)。然而，這2篇文章都忽略了采用放風(fēng)的方法調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量會(huì)使其風(fēng)量特性伴隨放風(fēng)風(fēng)量的增大而大幅度軟化，甚至不能明顯體現(xiàn)相對(duì)于離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。采用配備“變頻調(diào)速器”等具有特性硬、效率高的可調(diào)速系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，用調(diào)速的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，就能夠充分發(fā)揮羅茨鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量特性硬和離心式風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓特性硬的特點(diǎn)。在風(fēng)路的截面積不變時(shí)，風(fēng)量與風(fēng)速成正比，風(fēng)壓與風(fēng)速的二次方成正比，則風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也同風(fēng)量的二次方成比例地變化，使得風(fēng)機(jī)的功率消耗與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。圖1說(shuō)明風(fēng)機(jī)采用不同調(diào)速方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)。從圖1可知，用調(diào)速法調(diào)節(jié)風(fēng)量雖然初期投資較高，但因節(jié)電效果好，所以節(jié)省的電費(fèi)可以很快地抵消因?yàn)橘?gòu)買調(diào)速設(shè)備而投入的資金。 　圖1　風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的耗電功率特性曲線 1.3　電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和起動(dòng)特性 　　 在電動(dòng)機(jī)處于停頓的狀態(tài)下，給定子加上額定電壓和額定頻率電源時(shí)稱為堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，堵轉(zhuǎn)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩稱為“起動(dòng)轉(zhuǎn)矩”，定子電流稱為“起動(dòng)電流”。 　　 為了保證電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，要求其要有一定的抗過(guò)載能力。表達(dá)電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力的參數(shù)是最大轉(zhuǎn)矩，即臨界轉(zhuǎn)矩。一般最大轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍左右。 　　 電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子切割磁力線而產(chǎn)生反電勢(shì)，它的轉(zhuǎn)速會(huì)隨負(fù)載的輕重產(chǎn)生不同程度的下降。轉(zhuǎn)速下降使反電勢(shì)下降，導(dǎo)致輸入電流隨負(fù)載的加大而增大。但是電流的大小同負(fù)載的輕重不是線性關(guān)系，輕載時(shí)電流的下降會(huì)明顯減小。 　　 人們往往根據(jù)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)運(yùn)行時(shí)其輸入電流在一定范圍內(nèi)隨著負(fù)載輕重的變化而變化的現(xiàn)象，主觀地認(rèn)為它的起動(dòng)電流也應(yīng)該隨著負(fù)載起動(dòng)的難易而變化。實(shí)際上這是一種誤解。因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，亦即轉(zhuǎn)速等于零的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的反電動(dòng)勢(shì)等于零，所以電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的大小只取決于電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部電阻(直流電動(dòng)機(jī))或阻抗(交流電動(dòng)機(jī))，與負(fù)載的輕重?zé)o關(guān)。但是，起動(dòng)靜阻轉(zhuǎn)矩和慣性較大的負(fù)載時(shí)會(huì)延長(zhǎng)機(jī)組的加速時(shí)間，從而增大加速過(guò)程中大電流的持續(xù)時(shí)間。如果用量程稍大于電動(dòng)機(jī)額定電流的電流表測(cè)量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的定子電流，就會(huì)因?yàn)檩p載和重載起動(dòng)時(shí)表針停留在刻度終點(diǎn)的時(shí)間明顯不同，使人產(chǎn)生重載起動(dòng)時(shí)電流較大的印象。只有用量程夠大，反應(yīng)快速的示波器才能測(cè)量到正確的結(jié)果。 　　 處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的直流電動(dòng)機(jī)，它的內(nèi)部電阻包括電樞繞組電阻、與電樞串聯(lián)的勵(lì)磁和補(bǔ)償繞組電阻、電刷電阻和電刷與換向器間的接觸電阻等。因?yàn)檫@些電阻都很小，如果起動(dòng)時(shí)直接加上額定電壓，就會(huì)因?yàn)槠饎?dòng)電流過(guò)大而使電動(dòng)機(jī)受到損傷。所以，一般都采取在電樞電路中串接限流電阻或降低電源電壓的方法限制過(guò)大的起動(dòng)電流。 　　 處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的交流電動(dòng)機(jī)，可以把它看成是一臺(tái)空載電流和漏感都比較大，次級(jí)短路時(shí)初級(jí)電流也不會(huì)過(guò)大的變壓器。鼠籠型電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)額定電流的4.5～7倍。繞線型電動(dòng)機(jī)則可用改變接在轉(zhuǎn)子上的外接電阻的方法改變它的堵轉(zhuǎn)電流。 1.4　異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 　　 異步電動(dòng)機(jī)在外加額定電壓運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)的變化如圖2。圖2a的曲線1是在轉(zhuǎn)子繞組被短路時(shí)自然特性曲